【正文】 4 占總排放的 25%,N2O 占總排放的52%,CO2占總排放的 23%。畜牧生產(chǎn)排放 42 萬(wàn) t， 占 %； 土壤排放47 萬(wàn) t， 占 %； 化肥、能源、農(nóng)藥、農(nóng)膜等投入引起的排放 54 萬(wàn) t， 占 %。在 2020 年 ， 牛肉排放的溫室氣體為 kg/kg， 羊肉為 kg/kg， 豬肉為 ， 禽肉為 kg/kg， 牛奶為 kg/kg,禽蛋為 kg/kg。 二氧化碳捕集技術(shù)綜述 南京師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 溫室氣體國(guó)際排放現(xiàn)狀 自 2020 年哥本哈根氣候變化大會(huì)以來(lái)，相關(guān)各國(guó)均表態(tài)響應(yīng)會(huì)議號(hào)召。如果各國(guó)繼續(xù)不 積極的減排行為，任由充滿漏洞的法律法規(guī)實(shí)施，情況將不會(huì)有根本改善：2020 年，只能減排 1億噸（圖表 Case A）。 2020 年后，溫室氣體排放量仍將持續(xù)上升 。更糟糕的是，這也超出 2020 年計(jì)劃排放量的 11%。如果全球溫室氣體排放量按現(xiàn)今規(guī)模增長(zhǎng)，到 2020 年，全球?qū)⑴欧?8 億噸溫室氣體，超過(guò)計(jì)劃量 14 億噸。 圖 11 國(guó)際溫室氣體排放量圖 第 節(jié) CCS 技術(shù)概述 CCS 技術(shù)是 Carbon Capture and Storage 的縮寫，是將二氧化碳（ CO2）捕獲和封存的技術(shù)。目前， CCS 技術(shù)尚處于研發(fā)階段。 CCS 的廣泛應(yīng)用取決于技術(shù)成熟性、成本、整體潛力、在 發(fā)展中國(guó)家 的技術(shù)普及和轉(zhuǎn)讓及其應(yīng)用技術(shù)的能力、法規(guī)因素、環(huán)境問(wèn)題和公眾反應(yīng)。 CO2將被壓縮、輸送并封存在地質(zhì)構(gòu)造、海洋、碳酸鹽礦石中，或是用于工業(yè)流程。潛在的技 術(shù)封存方式有：地質(zhì)封存（在地質(zhì)構(gòu)造中，例如 石油 和 天然氣田 、不可開(kāi)采的煤田以及深鹽沼池構(gòu)造），海洋封存（直接釋放到海洋水體中或海底）以及將 CO2固化成無(wú)機(jī) 碳酸鹽 。 （ 1）日本 日本最大的煤用戶“日本電力”（ JPower）是日本與澳大利亞合作研究 CCS技術(shù)項(xiàng)目的一部分，據(jù)稱該小組是世界首個(gè)全面運(yùn)用 CCS 技術(shù)的 項(xiàng)目，以削減碳排放。進(jìn)行該項(xiàng)目的日本公司有 JPower、 IHI、 Mitsui 等，澳大利亞公司有 Xstrata、澳大利亞昆士蘭電力供電商 CS能源和Schlumberger 有限公司，以及澳大利亞煤炭聯(lián)合會(huì)。 JPower 公司目前尚無(wú)進(jìn)行商業(yè)規(guī)模 CCS 電廠建設(shè)計(jì)劃，但該公司稱，他們未來(lái)將出售技術(shù)給中國(guó)和印度。提議支持的條款很寬泛，但為儲(chǔ)存大量 CO2，協(xié)議仍然需要比如安全方面的細(xì)節(jié)條款。 工業(yè)界評(píng)估表明，首座商業(yè)規(guī)模的 CCS 試驗(yàn)電廠可能在 2020－ 2020 年運(yùn)行。二氧化碳捕集技術(shù)綜述 南京師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 歐洲電力公司 和 Electrabel 稱，他們將與日立歐洲電力公司組成小組在他們電廠檢測(cè)清潔煤技術(shù)。歐洲的競(jìng)爭(zhēng)者 RWE 和 Vattenfall 公司也在為這些項(xiàng)目工作。美國(guó)威斯康辛州的密歇根海灘附近準(zhǔn)備建一座大型燃煤發(fā)電廠，該電廠煙囪里的 CO2 將被分離并捕捉，將捕捉到的 CO2儲(chǔ)存在地下或海底上百年上千年 。該示范項(xiàng)目將耗資 1100 萬(wàn)美元，由美國(guó)電力公司和阿爾斯通公司合資。波蘭電力的 95%來(lái)自燃煤發(fā)電。 （ 5）中國(guó) 與國(guó)際較為先進(jìn)的二氧化碳捕集和封存技術(shù)相比，中國(guó)還處于較為落后的階段。二氧化碳捕集法只是大量用于二氧化碳純度高、比較容易捕集的煉油、合成氨、制氫、天然氣凈化等工業(yè)過(guò)程。工業(yè)上的應(yīng)用也主要是提高采油率。近幾年，包括“ 973 計(jì)劃”、“ 863 計(jì)劃”在內(nèi)的國(guó)家重大課題都對(duì) CCS 的研究進(jìn)行了立項(xiàng)，并取得了重大進(jìn)展。 2020 年 7 月 16 日中國(guó)首個(gè)燃煤電廠二氧化碳捕集示范工程 —— 華能北京熱電廠二氧化碳捕集示范工程正式建成投產(chǎn)，并成功捕集出純度為 %的二氧化碳。經(jīng)過(guò)緊張施工、調(diào)試、 試生產(chǎn)，目前二氧化碳回收率大于 85%，年可回收二氧化碳 3000 噸。 本文主要介紹二氧化碳捕集技術(shù)現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)進(jìn)行展望，以對(duì)二氧化碳二氧化碳捕集技術(shù)綜述 南京師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 捕集技術(shù)有更進(jìn)一步的了解。它由兩大部分組成，即煤的氣化與凈化部分和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。 2．主要設(shè)備 典型的 IGCC 技術(shù)包括氣化島、燃機(jī)島和常規(guī)島 3 個(gè)組成部分 。如果考慮 CO2減排，氣化島還包括 CO 減排單元。常規(guī)島主要由余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)蒸汽循環(huán)發(fā) 電。 3．工藝流程 IGCC 的工藝過(guò)程如下圖 21所示：煤經(jīng)氣化成為中低熱值煤氣，經(jīng)過(guò)凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙阶鞴?，燃?xì)廨?機(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)作功。 在氣化爐內(nèi)與空分系統(tǒng)產(chǎn)生后經(jīng)過(guò) 2級(jí)壓縮至 38bar 的氧氣以及加壓至 28bar 的蒸汽發(fā)生反應(yīng) ， 產(chǎn)生粗煤氣 ， 廢渣由渣分離系統(tǒng)脫除排出 。 粗煤氣經(jīng)過(guò)煤氣顯熱回收裝置后進(jìn)入干法除塵單元 ， 之后到水洗單元脫除氯化氫和氟化氫等酸性物質(zhì) ， 等待進(jìn)入 CO 變換單元 。 在 CO Shift 變換單元中依照需要脫除的 CO2的量調(diào)整變換反應(yīng)程度 。 從冷卻器出來(lái)的變換氣進(jìn)入系統(tǒng)的 脫硫脫碳單元 。 4．特點(diǎn) IGCC 被譽(yù)為 “ 21 世紀(jì)最具發(fā)展希望的一種潔凈煤電技術(shù)之一 ”，制約 IGCC 快速發(fā)展的關(guān)鍵因素主要有以下 3 點(diǎn)： (1) 比投資高。目前，國(guó)外 IGCC 電站造價(jià)為 1200~1600 美元 / kW，其中氣化及凈化、空分及動(dòng)力子系統(tǒng)約占總投資的 39% ， 16% 和 45%，設(shè)備投資約占總投資的 70% 。只有當(dāng) IGCC 比投資費(fèi)用和發(fā)電成本降低到能夠與 PC /FGD 相抗衡時(shí)， IGCC 才有可能在發(fā)電市場(chǎng)獲得一定數(shù)量 的應(yīng)用 IGCC 比投資的降低主要還要依靠規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和 批量生產(chǎn)的作用，樂(lè)觀估計(jì)，這個(gè)發(fā)展階段任務(wù)有可能在 21 世紀(jì)中期完成。雖然近幾年 IGCC 電站的設(shè)備可靠性、電站可用率都有了明 顯的提高，但其技術(shù)特點(diǎn)決定 IGCC 電站不適用于電 網(wǎng)調(diào) 峰。 (3)可用率低。 通過(guò)近幾年各國(guó)學(xué)者的研究和示范電廠的運(yùn)行上述問(wèn)題對(duì) IGCC 電廠的影響在逐漸降低。 二氧化碳捕集技術(shù)綜述 南京師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 氣化爐 IGCC 氣化爐及煤氣的凈化系統(tǒng)的要求是： 氣化爐的產(chǎn)氣率、煤氣的熱值和壓力及溫度等參數(shù)能滿足設(shè)計(jì)的要求 氣化爐有良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能，能滿足發(fā)電廠對(duì)負(fù) 荷調(diào)節(jié)的要求 煤氣的成分、凈化程度等要能滿足燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)的要求 具有良好的煤種適應(yīng)性 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備可靠，易于操作，維修方便，具有電廠長(zhǎng)期、安全可靠運(yùn)行所要求的可用率 設(shè)備和系統(tǒng)的投資、運(yùn)行成本低 可能采用的煤的氣化爐有噴流床（ entrained flow bed）、固定床（ fixed bed）和流化床（ fluidized bed）三種方案。它是一種高溫、高壓煤粉氣化爐，氣化爐的壓力為 2060bar， 要求采用 90%以上的顆粒小于100μ m 的煤粉，采用氧、富氧、空氣或水蒸氣作為氣化劑，當(dāng)以氧為氣化劑時(shí)，氣化爐爐膛中心的火焰溫度可達(dá) 2020℃。為了防止熱煤氣中已軟化了的粘性飛灰在氣化爐下游設(shè)備（余熱鍋爐）粘結(jié)堵塞，將除塵后的冷煤氣增壓后再返送回煤氣爐的出口和熱煤氣混合，將熱煤氣的溫度降低到比灰的軟化溫度低 50℃，然后，熱煤 氣再經(jīng)過(guò)氣化爐的余熱鍋爐（輻射和對(duì)流蒸汽發(fā)生順）產(chǎn)生飽和蒸汽，同時(shí)使熱煤氣的溫度降低到200℃左右，約 50%的煤中灰分在氣化爐高溫爐膛中心變成液態(tài)渣，由爐底排出并通過(guò)集渣器送入渣池。 噴流床氣化爐由于是煤粉高溫高壓氣化，因此煤種適應(yīng)性廣，碳轉(zhuǎn)化率高，能達(dá)到 99%以上。同時(shí)，可以利用流化床低溫燃燒，在燃燒和氣化過(guò)程中加入脫硫劑（石灰石或白云石），將產(chǎn)生的大部分 SO2和 H2S 脫除。 3）固定床氣化爐 固定床氣 化爐是最早開(kāi)發(fā)出的氣化爐，它和燃煤的層燃爐類似，爐子下部為爐排，用以支承上面的煤層。這種氣化爐和燃煤的層燃爐一樣，對(duì)煤的粒徑有一定的要求。粗煤氣唯一出口位置設(shè)計(jì)在干燥區(qū)上面煤層的頂部，稱為單段氣化爐，此時(shí)出口處煤氣的溫度為 370－ 590℃，在這煤氣溫度下，氣的油和煤焦油等會(huì)發(fā)生裂解和聚合反應(yīng)，從而生成彼一時(shí)質(zhì)焦油和瀝青。因而這種單段氣化爐的粗煤氣質(zhì)量是比較差的。由于流經(jīng)揮發(fā)分析出區(qū)和干燥區(qū)的煤氣量只有單段爐的，有利于防止由于煤的爆裂而產(chǎn)生的大量煤塵，而且不會(huì)產(chǎn)生彼一時(shí)質(zhì)焦油和瀝青。 IGCC 系統(tǒng)中的 CO2分離技術(shù) IGCC燃燒前分離 CO2的方法是通過(guò)水煤氣變換反應(yīng) ( CO+ H2O→CO 2+ H2) 把 CO 氣體轉(zhuǎn)化為 CO2 和 H2, 轉(zhuǎn)化后 CO2 的富集度提高 30%40% , 再通過(guò)物理吸收系統(tǒng)把 CO2 分離掉 ,剩下的大部分為理想的富氫燃料氣 , 其 原理如下圖所示： 圖 24 IGCC燃燒前二氧化碳分離原理圖 這種分離法與燃燒后分離法相比 , 由于分離與吸收 CO2 是在未被氮?dú)庀♂尩暮铣擅簹庵羞M(jìn)行 ,減少了分離器的尺寸及分離溶劑的用量 , 大大降低了能耗和成本 , 系統(tǒng)凈效率提高了 1%2% 。另外在轉(zhuǎn)化過(guò)程和分離、回收 CO2時(shí)進(jìn)行煤氣冷卻以及溶劑再生過(guò)程中的煤氣冷卻等都會(huì)導(dǎo)致能量損失 , 使系統(tǒng)凈輸出功減小、效率下降。通過(guò)二氧化碳捕集技術(shù)綜述 南京師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 轉(zhuǎn)化過(guò)程設(shè)計(jì)優(yōu)化 , 使能量消耗與成本均達(dá)到最優(yōu) 。完成以上分離的吸收劑限制在低溫下工作 , 若采用能在高溫下進(jìn)行吸收反應(yīng)的新溶劑將有助于降低能耗。 IGCC 技術(shù)發(fā)展前景 IGCC 技術(shù)當(dāng)前狀況 IGCC 的技術(shù)日臻成熟，已進(jìn)入 300～ 400MW 大容量機(jī)組的商業(yè)示范階段，也就是第二代商用化示范電站。現(xiàn)在新型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣初溫已達(dá) 1430℃ ，用以組成的 IGCC 系統(tǒng)凈效率應(yīng)將超過(guò) 50%。 由于 IGCC 的技術(shù)發(fā)展和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，以及石油天然氣等能源價(jià)格的走勢(shì)等多種原因， IGCC 逐步從商業(yè)示范走向商業(yè)應(yīng)用階段。全世界已經(jīng)宣布或正在規(guī)劃中的 IGCC 電站有 50多個(gè)。從國(guó)外最近的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看， IGCC 技術(shù)正在逐步走向大規(guī)模的商業(yè)運(yùn)行。 圖 25 IGCC 的運(yùn)行進(jìn)展圖 二氧化碳捕集技術(shù)綜述 南京師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 隨著煤氣化技術(shù)和燃機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步， IGCC 朝著大容量、高效率、低排放發(fā)展，而全球煤氣化容量雖然各年有所波動(dòng)，但始終保持 增長(zhǎng)態(tài)勢(shì) 。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦銀行 2020 年 1月的研究報(bào)告，到 2030 年時(shí)全球?qū)τ诿簹饣@種低排放技術(shù)熱電廠的投資額將會(huì)增加到 100 億美元，其中中國(guó)就將超過(guò) 20 億美元 IGCC 技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向 （ 1） 適用于發(fā)電用的大容量、高性能氣化爐須繼續(xù)提高增壓煤氣化爐的性能和運(yùn)行可用率和可靠性。 3000t/d 以上的氣化爐對(duì) IGCC 達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)大型化是 必要的，噴流床在這方面有優(yōu)勢(shì)，但進(jìn)一步提高熱力性能的潛力有限。 （ 2） 目前在 IGCC 電站中都使用深冷法制氧設(shè)備。為了提高 IGCC 的供電效率，人們正在研究膜技術(shù)或者 PSA 變壓吸附方式制氧新設(shè)備，電耗 僅為深冷的三分之一，起停時(shí)間以秒計(jì)。國(guó)際上正在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的膜分離技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)氧氣的低成本、高效率和大規(guī)模生產(chǎn)。 （ 3） 高性能的高溫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展單機(jī)功率更大、燃?xì)獬鯗馗摺岷穆矢偷娜細(xì)廨啓C(jī)，以它為核心來(lái)優(yōu)化配置 IGCC 的各系統(tǒng)。有學(xué)者對(duì) IGCC、PFBCCC 以及 AFBCCC 三者性能進(jìn)行分析得出結(jié)論，認(rèn)為： IGCC 的優(yōu)勢(shì)在高溫段 (1200℃ 以上 )，當(dāng)初溫提高到足夠高時(shí)，升溫獲益漸漸沖淡氣化和凈化環(huán)節(jié)能量損失的影響，且由于透平排溫的同步上升，蒸汽側(cè)也能采用高參數(shù) (亞臨界、超臨界 )，有著更大的提高效率的潛在能力。目前正在開(kāi)發(fā) H型技術(shù)，主要特征是采用更有效的蒸汽冷卻技術(shù)，超級(jí)合金材料隔熱涂層與先進(jìn)工藝 (定向結(jié)晶和單晶葉片 )，還有 先進(jìn)的氣動(dòng)熱力學(xué)設(shè)計(jì)方法 (如可控?cái)U(kuò)壓原理 )和低 NO、燃燒器等，有望把 T3提升到 14001600℃ 。在 500600℃ 的高溫條件下除塵和脫硫，使系統(tǒng)熱效率有所提高，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低比投資成本 。它是一項(xiàng)高效節(jié)能的燃燒技術(shù)，在玻璃工業(yè)、冶金工業(yè)及熱能工程 領(lǐng)域均有應(yīng)用。富氧燃燒技術(shù)的原理是用純氧燃燒同體燃料，由二氧化碳循環(huán)流控制燃燒。富氧燃燒技術(shù)適用于新機(jī)組，也可應(yīng)用于某些改造機(jī)組。所以在常規(guī)空氣助燃的情況下，無(wú)輻射能力的氮?dú)馑急壤芨?，因此煙氣的黑度很低，影響了煙氣?duì)鍋爐輻射換熱面的傳熱。一般富氧濃度在 26％～ 3l％時(shí)最佳。 燃料在空氣中和在純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在純氧中的燃燒速度是在空氣中的 4． 2倍，天然氣則達(dá)到 10． 7倍左右。 。燃料的燃點(diǎn)溫度不是一個(gè)常數(shù)，如 CO 在空氣中為 609℃ ，在純氧中僅 388℃ ，所以用富氧助燃能提高火焰強(qiáng)度、增加釋放熱量等。 二氧化碳捕集技術(shù)綜述 南京師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 隨 著富氧空氣中含氧量的增加，理論空氣需要量減少，煙氣量減少。 。同時(shí) N2減少可減少熱力型 NOx 生成量。 目前 CO2捕獲主要有 3